开发环保且高效的红光发射Gd(1-x)EuxCa4O(BO3)3闪烁体，用于高分辨率X射线成像应用

《Radiation Physics and Chemistry》：Development of eco-friendly and highly efficient red emitting Gd(1-x)EuxCa4O(BO3)3 scintillators for high-resolution X-ray imaging applications

　　

A. 安格纳农（Anon Angnanon）|S. 科坦（S. Kothan）|B. 达姆迪（B. Damdee）|C.S. 萨鲁马哈（C.S. Sarumaha）|N. 因塔查伊（N. Intachai）|N. 特里亚姆纳克（N. Triamnak）|P. 帕卡瓦尼特（P. Pakawanit）|C. 波瓦萨瓦特（C. Phoovasawat）|W. 布萨亚蓬（W. Busayaporn）|H.J. 金（H.J. Kim）|Y. 鲁安塔维普（Y. Ruangtaweep）|S. 努阿尔普拉拉克萨纳（S. Nualpralaksana）|J. 卡埃考（J. Kaewkhao）

泰国清迈大学研究管理办公室，清迈 50200

摘要

通过固态反应方法合成了Gd_(1-x)Eu_xCa₄O(BO₃)₃荧光体（其中0.00 ≤ x ≤ 0.40），并研究了其作为X射线成像应用的红色发光闪烁体材料的性能。XRD和Rietveld精修确认形成了单斜结构的GdCa₄O(BO₃)₃相。对代表性样品x = 0.10的SEM和元素分布分析显示，B、O、Ca、Gd和Eu的颗粒呈微米级且分布均匀，表明其化学均匀性良好。EuL_{3边缘的XANES分析证实Eu离子主要以三价态存在。光致发光（PL）结果显示，O^2-→Eu³⁺的电荷转移带较宽，且Eu³⁺的红色发射强度主要由613 nm处的⁵D0→⁷F2跃迁贡献。PL强度在x = 0.30时达到最大值，计算得出的临界距离和Q值表明偶极-偶极相互作用是主要的浓度猝灭机制。衰减分析进一步证实了Gd³⁺→Eu³⁺的能量转移效率较高，尤其是在较高Eu³⁺浓度下效率约为82-83%。在X射线激发下，x = 0.05的样品显示出最高的RL强度，达到商用BGO的179%。这种荧光体树脂复合膜在同步辐射下的空间分辨率为20.6 LP/mm，在Cu靶X射线系统下为8.7 LP/mm。这些结果证明了Gd(1-x)EuxCa4O(BO3)3荧光体在红色发光闪烁和X射线成像应用中的潜力。}

引言

X射线技术被广泛应用于医疗成像、机场安检以及材料检测等领域，且不会对材料造成损伤（Li等人，2024年；Liu等人，2024年）。这些系统中的关键组件是X射线闪烁体，它通过将高能X射线转换为低能光，使探测器更容易捕获和分析X射线数据。

高质量的X射线闪烁体通常由单晶制成，如CsI:Tl、CsI:Na和Bi₄Ge₃O₁₂（Valais等人，2008年）。然而，这些材料在合成复杂性、高生产成本和可扩展性方面存在显著挑战。对于需要大量闪烁体的应用，探索替代材料变得必要。其中一种材料是荧光体，特别是氧化钆硫化物（Gd₂O₂S），它因其多功能性和可加工成大尺寸的特点而受到关注。不幸的是，Gd₂O₂S的合成过程较为复杂，通常需要惰性气体环境，这也导致了较高的生产成本（L. Chen等人，2024年；Du等人，2024年）。

为应对这些挑战，当前的研究重点在于开发合成更简单、成本更低的新型荧光体材料。一种有前景的方法是使用含有钆（Gd）离子的材料，这些离子能够高效地将能量传递给发光离子（如Eu³⁺和Tb³⁺）。特别是Eu³⁺的引入引起了广泛关注，因为它具有优异的发光特性。Eu³⁺表现出强烈的光学跃迁，包括⁵D₀ → ⁷F₂跃迁，产生高色纯度的红色光。Eu³⁺与宿主晶格中的O^2-离子之间的强相互作用增强了发光效率，使其成为基于荧光体的X射线闪烁体的理想掺杂剂（Dhananjaya等人，2012年；Mahakhode等人，2021年；Wang等人，2024年）。

GdCa₄O(BO₃)₃具有单斜晶体结构和非中心对称的空间群Cm，是掺杂Eu³⁺的理想宿主材料。晶格中的Gd³⁺离子位于一个畸变的氧八面体中心，而(BO₃)基团在整个结构中形成刚性的B–O三角形。这种硼酸盐宿主的独特之处在于存在非桥接氧离子（O(1)），它们影响发光激活剂的能级，增强共价性并降低Eu³⁺的能级，从而改善发光性能。尽管具有潜力，但GdCa₄O(BO₃)₃在X射线成像领域的应用尚未得到充分探索，需要进一步研究其作为荧光体的可行性和效率（Kalidasan等人，2016年；Solarz等人，2007年）。GdCa₄O(BO₃)₃荧光体在这一领域的应用也缺乏研究，需要更多研究来评估其作为X射线成像材料的可行性（Iwai等人，1997年；Zhang等人，1999年）。

本研究致力于开发一种基于掺杂Eu³⁺的GdCa₄O(BO₃)₃的新型闪烁体，以研究其在X射线辐射下的发光特性，并探索开发出可扩展、低成本、高分辨率荧光体的可行性，以应用于各种X射线成像系统。

章节摘录

实验

在本研究中，使用固态反应方法合成了Gd_(1-x)Eu_xCa₄O(BO₃)₃荧光体（其中0.00 ≤ x ≤ 0.40）。前驱体材料包括纯度为99.99%的氧化钆（Gd₂O₃）、纯度为99.99%的硼酸（H₃BO₃）、纯度为99.99%的碳酸钙（CaCO_{32O3）。为确保充分混合，这些成分在丙酮中以250 rpm的速度进行湿球磨30分钟。研磨后，混合物在室温下静置}

晶体结构

Gd_(1-x)Eu_xCa₄O(BO₃)₃（0.00 ≤ x ≤ 0.40）的X射线衍射（XRD）图谱如图1a所示，用于评估合成样品的相纯度和晶体结构。这些衍射图谱与GdCa₄O(BO₃)₃（晶体学开放数据库，COD ID 1535798）（ILYUKHIN和DZHURINSKII，1993）的标准参考谱相符，确认了单斜结构，空间群C1m1，晶格参数为a = 8.10 ?, b = 16.03 ?, c = 3.56 ?, α = 90.00°, β =

结论

通过固态反应方法成功合成了Gd_(1-x)Eu_xCa₄O(BO₃)₃荧光体，并对其发光、闪烁和X射线成像性能进行了评估。XRD和Rietveld精修确认了单斜结构的GdCa₄O(BO₃)₃，SEM分析显示了良好的元素均匀性。EuL_{3边缘的XANES分析证实，在整个研究范围内Eu离子主要以Eu³⁺形式存在。PL结果显示，通过O^2-→Eu³⁺的电荷转移过程，Eu³⁺的红色发射效率较高}

CRediT作者贡献声明

Suchart Kothan：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源管理、项目协调、资金获取、概念构思。安格纳农（Anon Angnanon）：撰写 – 初稿撰写、资金获取、数据分析、概念构思。Suwimon Nualpralaksana：方法学设计、实验研究。Yotsakit Ruangtaweep：方法学设计、实验研究。H.J. Kim：项目协调。Wutthikrai Busayaporn：方法学设计、实验研究。Chalermluck Phoovasawat：方法学设计、实验研究。Phakkhananan：

Adell等人，2018年；Chen等人，2024年；同步辐射研究所，2025年；Zhang等人，2018年。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究部分得到了清迈大学、CMU主动研究员项目、清迈大学（项目编号：770/2567）的支持。该项目还得到了泰国国家研究委员会（泰国科学研究与创新机构（TSRI）和纳空帕通拉贾巴特大学对这项研究的支持。此外，本研究还获得了NSRF通过研究与创新加速机构的资金支持